La microcogenerazione e il sistema energetico
Microcogenerazione e trigenerazione: come trasformare le opportunità in un mercato reale

*Di Stefano Campanari - Dipartimento di Energetica, Politecnico di Milano

[03/05/2007]
Cogenerazione e Microcogenerazione


La potenza media degli impianti cogenerativi italiani si assesta intorno ai 10 Mwel (comprendendo alcune centinaia d’impianti basati su motori a c.i. di potenza media intorno a 1 MWel, impianti a turbogas e cicli a vapore a contropressione prevalentemente da 5-10 MWel, cicli a vapore a condensazione/spillamento ed infine grandi impianti a ciclo combinato).
Il contributo attuale degli impianti di cogenerazione di piccola scala (inferiore a 1000 kWel) risulta scarso, ma è su questa fascia di potenza e sul concetto collegato di “generazione distribuita” che si è concentrato negli ultimi anni parte dell’interesse degli operatori del settore energetico
La definizione attuale di microcogenerazione prende avvio dalla Direttiva Europea 2004/8/EC sulla cogenerazione, e qualifica come:
• “micro-cogenerazione” tutte le applicazioni con potenza elettrica installata inferiore
a 50 kWel.
• “cogenerazione di piccola scala” le applicazioni con Pel < 1 MWel.


Fig.1: scenario 1 di diffusione cogenerazione


Fig.2: scenario 2 di diffusione cogenerazione

La tecnologia consolidata sfrutta motori alternativi a ciclo Otto, oggi riproposti anche per taglie di pochi kW con soluzioni innovative.
Quali altre tecnologie avanzate esistono?
-Celle a combustibile (Fuel Cell, FC)
-Microturbine a gas
-Motori Stirling
-Cicli ibridi (il futuro?)
-Altre tecnologie lontane dalla commercializzazione (termofotovoltaico, effetto Peltier..)
• Per la trigenerazione:
-Integrazione con cicli frigoriferi / pompa di calore
-Integrazione con macchine frigorifere ad assorbimento.
I costi attuali delle nuove tecnologie (tutte, tranne i MCI di taglia medio-grande!) risentono però di volumi produttivi ancora molto limitati; per le FC solo in prospettiva di medio
termine si ritengono raggiungibili costi accettabili.
Quali sono i vantaggi della microcogenerazione?
1) Vantaggi di risparmio energetico : come noto, il processo cogenerativo può consentire risparmi energetici significativi rispetto alla generazione separata dei due beni energetici prodotti dalla cogenerazione, vale a dire energia elettrica e calore. A seconda delle applicazioni, il tipo di “motore” più idoneo può cambiare; l’importante è che il suo utilizzo consegua un risparmio di energia, quantificabile con la nota espressione dell’ “Indice di Risparmio Energetico” (IRE o PES –primary energy saving index), recentemente ripresa dal DL 8 feb. 2007, n. 20 (attuazione direttiva 2004/8/CE):


Nota: il solo rendimento elettrico di per sé non conta (ad es. anche con hel=10%, insieme ad un corretto recupero termico, si può avere IRE positivo)

Tutte le tecnologie consentono risparmi energetici importanti, se operano con recupero integrale del calore.


Fig.3: analisi combinata di rendimento termico ed elettrico in funzione della tipologia di impianto cogenerativo.

2) Vantaggi di riduzione delle emissioni:
- Riduzione delle emissioni globali: CO2 (proporzionale al risparmio energetico).
- Riduzione delle emissioni globali: NOx, CO, HC, polveri, facilmente inferiori rispetto alle centrali tradizionali.
- La micro-cogenerazione può puntare a motori caratterizzati da emissioni minori rispetto alle caldaie che sostituisce.


Fig.4: analisi delle emissioni attuali e degli obbiettivi fissati dal protocollo di Kyoto

3) Altri vantaggi:
- Allevia i problemi di saturazione delle grandi linee di trasporto elettrico;
- può contribuire all’aumento di affidabilità e qualità della rete (rischio black-out);
- può fornire occasione di ingresso sul mercato di nuovi operatori.

Trigenerazione
Va inoltre considerata la creazione di nuovi impianti che svolgono funzione di trigenerazione, ovvero la produzione combinata di energia elettrica, calore e freddo, la quale trova applicazione per utenze caratterizzate dalla compresenza delle 3 richieste energetiche, che possono presentarsi sia separatamente sia contemporaneamente, con lo scopo di aumentare il fattore di utilizzo dell’impianto (la redditività).
Si può realizzare mediante (frigoriferi e pompe di calore):
- gruppi a compressione: tradizionalmente impiegati, costi di impianto più bassi
- gruppi ad assorbimento: soluzione energeticamente efficiente quando funzionano con il calore cogenerato, costi più elevati


Fig.5: domanda energetica (in termini di carico) su base annua

Diffusione della micro-cogenerazione: Che cosa manca?
Alcuni esempi:
- Semplificazioni iter autorizzativi: ad esempio, eliminazione per i micro della necessità di creare una “officina elettrica” e relativi rapporti con UTF.
- Semplificazioni interfaccia rete: ad esempio, standardizzazione e semplificazione di protezioni e sistemi di misura richiesti, evitando duplicazioni con i componenti già esistenti sulla macchina
- Bassi costi dei servizi di rete
- Fattori di “riconciliazione” nella cessione di energia elettrica alla rete non punitivi per i piccoli e microcogeneratori.
- Introdurre incentivi che riconoscano i benefici ambientali della microcogenerazione
- Sviluppare una normativa quadro di riferimento per agevolare la diffusione.

L’iniziativa normativa UNI-CTI
A partire dal marzo 2006, il Comitato Termotecnico Italiano (CTI) ha costituito un gruppo di lavoro “Microcogenerazione” (SC4-GC405) che ha avviato lo sviluppo di una normativa tecnica UNI dedicata a queste tecnologie. La normativa nasce per rispondere alla necessità, prevista già dalla Legge 239/2004 (Legge Marzano), di supportare i decreti attuativi sulla incentivazione e semplificazione delle procedure autorizzative per i sistemi di piccola cogenerazione.
Il gruppo (coordinato dal prof. P.R. Spina – Università di Ferrara) ha suddiviso le attività in varie parti, secondo sottogruppi:
• GL1: INTERFACCIA ELETTRICA (coord. G. Dell’Olio, GSE)
• GL2: INTERFACCIA TERMICA (coord. V. Annoscia, ISPESL)
• GL3: INTERFACCIA COMBUSTIBILE (coord. R. Stella, Assotermica / Riello)
• GL4: EMISSIONI (coord. S. Comparato, CPL)
• GL5: LOCALIZZAZIONE E TAGLIE (coord. R. Stella, Assotermica / Riello)
• GL6: RAPPORTI CON LE ISTITUZIONI (coord. G. Pilati, Energia Nova)
• GL7: EFFICIENZA (coord. E. Macchi, Politecnico di Milano)
Il GL “EFFICIENZA” sta mettendo a punto una norma rivolta in particolare alla misura e verifica dell’efficienza energetica dei sistemi di micro-cogenerazione.
Si ha infatti che:
• La definizione dei minimi requisiti energetici di un sistema di micro-cogenerazione fa riferimento al funzionamento reale medio annuo del sistema e richiede il raggiungimento di un valore minimo di un indice (IRE) che valuta il risparmio energetico conseguito.
• La verifica ex-post del soddisfacimento di questo requisito è dispendiosa e non giustificata soprattutto per impianti di taglia micro : ogni sistema dovrebbe essere munito di tre contatori “fiscali” dedicati -del gas o del combustibile utilizzato, di elettricità e di calore-, di cui solo il secondo dovrebbe essere presente con la vigente legislazione (defiscalizzazione combustibile, officina elettrica, ecc.) .
Scopo della normativa è allora predisporre una metodologia di verifica ex-ante dei meriti energetici di un sistema di micro-cogenerazione, che consenta di qualificare le prestazioni energetiche con una serie di prove sperimentali condotte in laboratorio da un ente indipendente. Una volta certificato come “ad alta efficienza” il sistema dovrebbe potere essere
installato senza particolari oneri di verifica energetica a posteriori.
La normativa in fase di sviluppo per la parte “efficienza” prevede la classificazione di diversi tipi di sistema, in particolare:
- sistemi dotati di accumulo termico
- sistemi con regolazione on-off di tipo termico-segue
- sistemi con regolazione on-off di tipo elettrico-segue
- sistemi con regolazione modulante, di tipo termico-segue
per i quali vengono previsti diversi cicli di prova, sulla base dei quali vengono ricostruite le prestazioni medie annuali prevedibili del sistema, ed in particolare
il valore di IRE o PES annuale.
- I cicli di prova sono del tipo accensione - mantenimento carico (al 100%, e a valori intermedi fino al carico minimo per i sistemi modulanti) – spegnimento;
- Per i sistemi dotati di accumulo si prevedono invece cicli di 24 h rappresentativi di “giornate tipo” invernali, di mezza stagione ed estive, con o senza produzione di freddo (per il caso dei sistemi trigenerativi).
La possibilità di disporre di sistemi di micro cogenerazione affidabili e dai costi di impianto sufficientemente contenuti, può indurre nel futuro forti mutamenti nell’impiantistica e nel modo di approvvigionarsi di elettricità di settori quali il civile e terziario: non più utenti passivi di una rete elettrica alimentata da grandi unità di produzione centralizzata, ma utenti attivi, che scambiano energia, a volte acquistandola, a volte vendendola, con una rete elettrica cui s’interfaccia una molteplicità di operatori.
Lo scenario tecnologico che si prospetterebbe vedrebbe l’inserimento nelle aree metropolitane di un gran numero di “centraline” destinate alla cogenerazione ad alta efficienza, basate sull’impiego di combustibili puliti come il gas naturale (o, se mai fosse disponibile, l’idrogeno), che soddisfino una porzione significativa dei consumi energetici delle utenze.
Per la sua diffusione, è necessario che questa tecnologia – potenzialmente “energy and emission saving” - non venga ostacolata da un quadro autorizzativo e tariffario disincentivante.


Fig.6: distribuzione di utilizzo dei sistemi di cogenerazione nei principali stati europei ed in Giappone

*Si ringraziano il Prof.Campanari e l'associazione FIRE Italia per la collaborazione
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